第5章-聚丙烯纤维

第五章聚丙烯纤维第一节概述聚丙烯（PP）纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维，在我国的商品名为丙纶。1953年，Ziegler和Natta发明了能够使烯烃定向聚合的有机金属络合催化剂，同年Natta用这种催化剂合成了等规聚丙烯，1957年，意大利开始工业化生产聚丙烯。1960年，聚丙烯纤维实现工业化生产。随着石油工业的发展，丙烯来源丰富、价廉，使聚丙烯纤维的发展很快，七十年代末产量达一百多万吨，居合纤第四位。2000年，世界聚丙烯纤维产量达550万吨。2009年1-12月中国化纤产量完成情况丙纶纤维的主要特点：比重小：丙纶是目前所有纤维中比重最小的（0.90-0.92g/cm3）。强度高、耐磨、耐腐蚀：丙纶是强度比较高的一种纤维，干湿强度基本相同，更适用湿态的使用要求，且回弹性好。具有电绝缘性和保暖性：在各种化学纤维中其电绝缘性和保暖性最好。光热稳定性差：易于老化，在加工使用中容易失去光泽、强伸度下降。染色性差：PP上没有极性基因，缺乏对一般染料的亲和性。性能指标复丝短纤维断裂强度/cN·dtex-13.1-6.42.5-5.3断裂伸长率/%15-3520-35弹性回复率/%（在5%伸长时）88-9888-95初始模量/cN·dtex-146-13623-63沸水收缩率/%0-50-5回潮率/%0.030.03PP纤维的主要性能第二节纺丝级聚丙烯一、等规聚丙烯的结构和性能⒈分子结构与结晶聚丙烯的螺旋结构聚丙烯的分子结构模型图等规聚丙烯的最佳结晶温度为125～135℃，聚丙烯初生纤维的结晶度为33～40%，经后拉伸，结晶度上升至37～48%，再经热处理，结晶度可达65～75%。⒉相对分子质量及其分布相对分子质量及其分布对聚丙烯的熔融流动性质和纺丝、拉伸后纤维的力学性能有很大影响。丙烯单元中没有极性基因，为了增加分子间作用力，其分子量（纤维级聚丙烯的平均相对分子质量为18～30万）比一般成纤高聚物（如聚酯和聚酰胺为2万左右）要高。工业上常采用熔融指数（MeltingIndex，MI）表征PP的流动性，可粗略地估量其分子量的大小。熔融指数是热塑性高聚物在规定的温度和压力下，在10分钟内通过指定长度和内径的毛细管的重量值。单位“g/10min”。PP熔融指数的测定条件：温度230℃，压力2160g，毛细管D=2.095mm，L=8mm。等规聚丙烯相对分子质量分布的多分散性较大，一般为4～7，而聚酯和聚酰胺为1.5～2。⒊热性质聚丙烯的玻璃化温度大致在-35～-10℃，熔点为165～176℃，热分解温度为350～380℃（因PP切片吸水性差并对热降解影响小，其不用干燥可直接纺丝）。⒋耐化学药品性与抗生物性室温下在无机酸、碱和盐的水溶液以及油类中有很好的稳定性，但抗氧化试剂（如过氧化氢、浓硫酸等）会侵蚀聚丙烯。在大多数烷烃、芳烃、卤代烃中，升高温度会使等规聚丙烯溶胀和溶解。其还具有极好的耐霉性和抑菌性，不被虫蛀。⒌耐老化性老化：高分子材料在加工、贮存和使用过程中逐渐失去原有的优良性能以致最后丧失使用价值的现象。聚丙烯纤维在热、光及大气综合影响下，失去光泽、褪色、强伸度下降。因为聚丙烯的叔碳原子对氧十分敏感，在热和紫外线的作用下易发生热氧化降解（主要发生在加工过程中）和光氧化降解（主要发生在使用过程中）。为此需在聚丙烯中添加抗氧剂、抗紫外线稳定剂等。二、成纤聚丙烯的性能特点和质量要求切片的主要指标：等规度≥95％粘均分子量18～20万熔融指数6～15g/10min含水率0.1%灰分0.05%第三节聚丙烯纤维的生产一、常规熔体纺丝⒈纺丝的主要工艺参数：⑴纺丝温度PP熔体温度高出其熔点100℃左右，原因如下：①PP的分子量大，熔融后的熔体粘度很高，因此要提高纺丝温度以增加流动性使纺丝顺利进行。②PP中没有强极性基因，内聚能较小，纺丝时容易出现熔体破裂。③PP分子量分布宽，熔体弹性较大，牛顿性能差。④高温下纺丝，卷绕丝的预取向度低并生成不稳定的碟状液晶结构，有利于后拉伸倍数的提高。⑵冷却条件冷却速率快，卷绕丝易生成不稳定的碟状液晶结构。冷却速率慢，卷绕丝易生成稳定的单斜晶体结构。实际生产中丝室温度以偏低为好，侧吹风时可为35～40℃，环吹风时可为30～40℃，送风温度为25℃，风速0.3～0.4m/s。⑶喷丝头拉伸喷丝头拉伸倍数比涤纶纺丝低，一般为60倍左右，若预拉伸倍数过高会导致卷绕丝生成稳定的单斜晶体从而使后拉伸倍数降低，影响纤维质量。⒉拉伸和热定型聚丙烯纤维的后拉伸温度以120～130℃为宜。拉伸速度一般偏低些为好，因为过高的拉伸速度会使拉伸应力大大提高，纤维的空洞率增加，因而增加拉伸断头率。热定型温度为120～130℃。二、聚丙烯短程纺丝技术短程纺丝技术是较常规纺丝的工艺流程短，纺丝工序与拉伸工序直接相连，喷丝头孔数增加，纺丝速度降低的一种新工艺路线。整套生产线可缩短到50m左右，从切片输入到纤维打包全部连续化，可生产单丝线密度为1~200dtex的短纤维。它具有占地面小，产量高，成本较低，操作方便，宜于迅速开发且适应性强等优点。近年来短程纺有很大发展，在技术与设备上都有所突破。如机器高度由三层压缩到一层，该技术主要以生产丙纶为主，也可用于涤纶、锦纶生产。⒈工艺流程切片喂入→添加剂注入→切片共混→螺杆挤出→熔体过滤→熔体分配→纺丝→冷却成形→上油卷曲张力调节→拉伸→卷曲→热定型张力消除→切断→打包。⒉设备与工艺特点纺丝箱体有6-32个纺丝位，喷丝板有环形和矩形两种，喷丝孔数多达15万孔，冷却吹风形式有侧吹、中心放射和真空环吸等。采用环形喷丝板、中心放射冷却形式时，喷丝孔均匀分配在圆环上，纺出的丝像吹塑圆形薄膜，冷却气体由中心向外吹，以便迅速冷却。三、聚丙烯膨体长丝（BCF）四、聚丙烯FDY生产法五、聚丙烯裂膜纤维裂膜纤维也称薄膜纤维，是高聚物薄膜经纵向拉伸、切割、撕裂或原纤化制成的化学纤维。⒈割裂纤维（扁条、扁丝）割裂纤维是把T型机头挤出的平膜或吹塑得到的管状膜通过具有一定间隔的刀具架被切割成扁带、再经拉伸、热定型得到扁丝。一般宽2.5-6mm，厚20-50μm，纤度1100dtex左右。平膜挤出法：纤度较均匀，手感和耐冲击性较差。吹塑薄膜法：产量高、手感好、纤度均匀性较差。主要用途：地毯底布、编织袋、工业织物、绳索等。⒉撕裂纤维（原纤化纤维）将挤出或吹塑得到的薄膜经单轴拉伸使大分子沿拉伸方向取向，拉伸方向强度↑，垂直拉伸方向强度↓，然后薄膜通过针辊或齿辊等破纤装置，被开纤，再经物理、化学或机械作用使开纤薄膜进步离散成纤维网状物或连续丝条，长丝。主要用途：地毯、人造草坪、包装材料、绳索、工业用织物。六、纺粘法非织造布纺粘法是指纺丝直接成布法，其工艺流程包括PP切片熔融纺丝、牵伸、分丝成网和粘合加固。工艺流程：PP切片→熔融纺丝→冷却成形→拉伸→铺网→纤网输送→纤网加固→卷装气流成网1－丝束2－喷嘴3、4偏心轮5－成网帘热轧粘合法1－刻花辊2－光辊3－纤网针刺法基本原理1－纤网2－刺针七、熔喷法非织造布熔喷法是在聚合物熔体喷丝的同时利用热空气以超音速和熔体细流接触，使熔体喷出并被拉成极细的无规则短纤维，是制取超细纤维非织造布的主要方法之一（纺粘法是在聚合物熔体喷丝后才和拉伸的空气相接触）。工艺流程：粉状或粒状PP经挤压熔融后定量送入熔喷模头，熔体B从模头喷板的小孔喷出后在高速热空气流A的作用下，被拉伸成很细的细流，然后在周围的冷空气C的作用下冷却固化成纤维，其后被捕集装置D捕集，经压辊进入铺网机成网，切边后卷装为成品。熔喷法成网工艺原理熔喷法非织造布孔隙率高、孔径小、过滤性好、手感柔软，生产设备紧凑。用途十分广泛，并在不断发展，特别是在过滤材料、吸附材料和一次性用品方面。但熔喷法非织造布强度不高，延伸度大，因此产品尺寸不稳定，从而限制了它在衣着、家用以及合成革等方面的应用。第四节聚丙烯纤维的改性及新品种一、可染聚丙烯纤维二、高强高模聚丙烯纤维三、细旦及超细旦聚丙烯纤维四、阻燃聚丙烯纤维五、远红外聚丙烯纤维六、三维卷曲中空聚丙烯纤维七、其它改性聚丙烯纤维复习题1、聚丙烯纤维有哪些特点2、聚丙烯切片的等规度和熔融指数是如何测定的3、聚丙烯纺丝时为什么纺丝温度要远高于熔点4、为了抑制聚丙烯的老化经常加入哪些添加剂，它们都有哪些作用5、简述割裂纤维和撕裂纤维的制造过程6、简述聚丙烯的短程纺丝7、简述聚丙烯的熔喷纺丝法8、简述聚丙烯的膨体长丝生产法9、简述聚丙烯的纺粘法非织造布生产法10、简述聚丙烯的常规长丝复丝生产法